Düsentriebwerke sind unversöhnlich. Sie benötigen Materialien, die Hitze und Kraft standhalten, ohne sich unter Belastung zu verbiegen, zu reißen, ihre Form zu verlieren oder sich langsam zu verformen.
Der Haken? Die stärksten Kandidaten sind oft zu spröde.
Ingenieure der Purdue University haben diese Regel gerade angefochten. Sie haben Kobaltaluminium (CoAl) im Nanomaßstab neu gestaltet. Das Ergebnis ist ein Kobalt-Aluminium-Nanolaminat, das bis zu zehnmal stärker ist als hochfester Baustahl.
Und es zerbricht nicht wie Glas.
Diese in Science Advances veröffentlichte Entdeckung bietet einen neuen Weg, um notorisch spröde intermetallische Verbindungen in der Luft- und Raumfahrt und Verteidigung nutzbar zu machen.
Die spröde Natur intermetallischer Verbindungen
Intermetallische Verbindungen enthalten zwei oder mehr Metalle, die in einem hochgeordneten Kristallgitter angeordnet sind. Diese Ordnung schafft Stärke. Es sorgt außerdem für hohe Schmelzpunkte und Kriechfestigkeit – die langsame Verformung unter Langzeitbeanspruchung.
Diese Eigenschaften eignen sich perfekt für Düsentriebwerke, Gasturbinen und Energiesysteme. Aber genau diese atomare Starrheit ist das Problem.
Die meisten intermetallischen Verbindungen können sich nicht biegen. Stattdessen brechen sie. Dies gilt insbesondere bei Raumtemperatur.
„Unter anderem können sie möglicherweise auf Turbinenschaufeln der nächsten Generation für Flugtriebwerke angewendet werden … Hochfeste, plastisch verformbare Legierungen könnten es einem Triebwerk ermöglichen, sich schneller zu drehen und gleichzeitig höheren Zentrifugalkräften standzuhalten.“ — Xinghang Zhang
CoAl veranschaulicht dieses Dilemma. Es ist stark genug für anspruchsvolle Komponenten. Seine Sprödigkeit macht die Herstellung komplexer Formen jedoch nahezu unmöglich und macht es anfällig für plötzliche mechanische Belastungen.
Technische Mängel mit Absicht
Um Sprödigkeit zu beheben, denkt man normalerweise über die Reduzierung von Fehlern nach. Hier machten die Forscher das Gegenteil.
In einem perfekten Kristall folgen Atome einem strengen geometrischen Muster. Eine Luxation – eine mikroskopische Störung – wird normalerweise als Defekt angesehen. Aber in Metallen sorgen Versetzungen dafür, dass Atome aneinander vorbeigleiten können. Dadurch kann das Material seine Form ändern, ohne zu brechen.
Kohle weist bei Raumtemperatur keine beweglichen Versetzungen auf. Frühere Versuche, die Plastizität durch Veränderung der Zusammensetzung oder Mischen von Materialien zu steigern, führten zu keinen nennenswerten Ergebnissen.
Das Purdue-Team ging einen anderen Weg.
Sie bauten die Versetzungen während der Entstehung direkt in das Material ein. Sie schufen auch ein Netzwerk „amorpher Schnittstellen“. Dies sind dünne Grenzen, an denen den Atomen die geordnete Anordnung fehlt, die man in einem Kristall findet.
Warum amorphe Grenzflächen wichtig sind
Diese flexiblen Grenzen bewirken mehr als nur die Trennung von CoAl-Schichten.
Bei der Verformung kristallisieren Teile dieser amorphen Grenzflächen teilweise aus. Dieser Prozess löst die Entstehung neuer Versetzungen aus. Diese Versetzungen geben den umgebenden CoAl-Schichten mehr Möglichkeiten, Stöße zu absorbieren.
„Wir haben das Gerüst aus amorphen Grenzflächen entworfen … flexible Grenzen in den Materialien für strukturelle Flexibilität … die die Keimbildung der Versetzungen fördern.“ — Xinghang Zhang
Ke Xu, der Erstautor der Studie, stellt fest, dass dieser Ansatz eine Alternative zur Verbesserung der plastischen Verformungsfähigkeiten von CoAl bietet. Die Grenzflächen wirken als aktive Plastizitätsquellen. Sie helfen dem Material, auf Belastungen zu reagieren, anstatt einfach zu reißen.
Streckgrenze im Vergleich zu Baustahl
Die Zahlen sind atemberaubend.
Das Nanolaminat erreichte eine Streckgrenze von 6 GPa (Gigapascal). Um das ins rechte Licht zu rücken: Hochfester Baustahl liegt typischerweise zwischen 0,4 GPa und 0,5 GPa. Diese neue Legierung ist etwa sechs- bis zehnmal stärker.
Die Streckgrenze misst, wie viel Spannung ein Material aushalten kann, bevor es sich dauerhaft verformt.
Trotz dieser extremen Festigkeit hielt das CoAl-Nanolaminat unter Druck bei Raumtemperatur einer plastischen Dehnung von 15 % stand. Es kann einer erheblichen bleibenden Verformung unterliegen. Es bricht nicht sofort.
„Diese Kombination aus ultrahoher mechanischer Festigkeit und herausragender Plastizität macht das aktuelle CoAl-Nanolaminat-System zu einem der besten bisher gemeldeten intermetallischen Systeme.“ — Ke Xu
Das Material aus Dampf erzeugen
Wie macht man das? Beim traditionellen Gießen schmilzt Metall und lässt es erstarren. Das wird hier nicht funktionieren.
Das Team verwendete Magnetron-Sputtering-Abscheidung.
Atome werden aus einem Ausgangsmaterial als Dampf freigesetzt. Sie lagern sich als dünner Film auf einer anderen Oberfläche ab. Dieser „Nichtgleichgewichts“-Ansatz ermöglicht die direkte Bildung des Materials aus Dampf.
Diese Methode fängt eine große Anzahl von Versetzungen innerhalb des CoAl ein. Es entstehen auch die kritischen amorphen Aluminium-Kobalt-Grenzen. Mit herkömmlichem Guss kann diese spezifische Kombination von Merkmalen nicht erreicht werden.
Verformung in Echtzeit beobachten
Theorie ist nützlich. Der Beweis erfordert Beobachtung.
Forscher komprimierten das Material in einem Rasterelektronenmikroskop. Diese In-situ -Tests ermöglichten es ihnen, mikroskopische Veränderungen bei der Verformung des CoAl zu beobachten.
Simulationen untermauerten die visuelle Darstellung. Der Yashashree-Kulkarni-Student Anand Mathew, Professor an der University of Houston, führte molekulardynamische Modelle durch. Die Daten zeigten, dass die amorphen Grenzflächen unter Drücken kristallisierten. Dadurch wurden Versetzungen in die angrenzenden CoAl-Schichten freigesetzt.
Die Experimente bestätigten, was die Simulationen nahelegten: Diese Grenzflächen unterstützen aktiv die plastische Verformung. Sie stärken die Belastbarkeit des Materials, ohne seine Eigenfestigkeit einzubüßen.
Jenseits der Nanoskala
Derzeit handelt es sich bei diesem CoAl-Nanolaminat um ein Dünnschichtsystem. Es handelt sich noch nicht um eine massive Turbinenschaufel.
Der nächste Schritt ist die Skalierung. Ziel der Forscher ist es, dieses Strukturkonzept auf größere, industrietaugliche CoAl-Nanokomposite zu übertragen.
Sie planen auch, das Konzept des „Gerüsts amorpher Grenzflächen“ an anderen intermetallischen Verbindungen zu testen. Wenn es über verschiedene Verbindungen hinweg Bestand hat, bietet es eine verallgemeinerbare Strategie zur Verbesserung der Plastizität in dieser gesamten Klasse von Metallen.
„Duktile intermetallische Verbindungen steigern unsere Fähigkeiten bei der Entwicklung fortschrittlicher Materialien für Luft- und Raumfahrt-, Energie- und Verteidigungsanwendungen erheblich.“ — Xinghang Zhang
Anstatt eine Wahl zwischen Festigkeit und Verformbarkeit zu erzwingen, könnten Ingenieure bald in der Lage sein, beides zu konstruieren. Indem wir kontrollieren, wo Defekte entstehen und wie Grenzen reagieren, könnten wir endlich Metalle freisetzen, die zuvor als unbrauchbar galten.
Referenz:
„Plastizität in spröden intermetallischen Verbindungen ermöglicht durch ein Gerüst aus amorphen Grenzflächen und bereits vorhandenen Versetzungen“ von Ke Xu, Anand Matheth, Zhongxia Shang, Debarga Paul,
DOI: 10.112/sciadv.ab0076
Finanzierung durch das Programm „Metals and Metallic Nanostructures“ der National Science Foundation.
